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第 26 卷 第 6 期 作　物　学　报 V o l. 26, N o. 6
2000 年 11 月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA N ov. , 2000
籼、粳稻叶片老化过程中光抑制特性的差异X
许晓明　戴新宾　张荣铣
(南京农业大学水稻研究所, 江苏南京, 210095)
提　要　在强光逆境条件下, 粳稻品种仅在叶片叶绿素含量速降期内发生轻微光抑制现象, 而籼稻品
种在叶片叶绿素含量相对稳定期就有轻微光抑制发生, 在速降期内则有较强光抑制。水稻的光抑制防
御机制主要包括叶黄素循环、光呼吸和活性氧清除系统。其中依赖叶黄素循环的非辐射能量耗散是防
御光抑制的重要方式。粳稻的耐光抑制特性与其在高光强条件下R uBPO ase、SOD、A SP 活性上升幅
度大和电子传递活性下降幅度小有密切关系。
关键词　光抑制; 叶绿素含量相对稳定期; 叶绿素含量速降期; 光合功能衰退
Effect of Strong L ight on Net Photosyn thetic Ra te between Two R ice
Subspec ies dur ing L eaf Ag ing
XU X iao2M ing　DA I X ing2B in　ZHAN G Rong2X ian
(N anj ing A g ricu ltu ra l U niversity R ice R esearch Institu te, N anj ing , J iang su P rov ince, 210095)
Abstract　Fo r Yan jing 2 under st rong ligh t st ress, pho to inh ib it ion on ly occu rs ligh t ly du ring
Sharp fa ll phase (SFP) of leaf ch lo rophyll con ten t, w h ile fo r 3037, pho to inh ib it ion appears
du ring R ela t ive steady phase of leaf ch lo rophyll con ten t and becom e m o re seriou s du ring
SFP. T he xan thophyll cycle, pho to resp ira t ion and the scavenging act ive oxygen system are
m ain p ro tect ion m echan ism s again st pho to dam age, am ong these xan thophyll cycle m igh t be
the m o st im po rtan t. Bet ter adap ta t ion of japon ica rice sub species to st rong ligh t in ten sity is
rela ted w ith the la rger increase of SOD , A SP, R uBPO ase act ivit ies and lit t le decrease of
electron tran spo rt act ivity du ring pho to inh ib it ion trea tm en t.
Key words　Pho to inh ib it ion; R ela t ive steady phase of leaf ch lo rophyll con ten t; Sharp fa ll
phase of leaf ch lo rophyll con ten t; Pho to syn thet ic funct ion D ecline
水稻在生育期间历经夏季典型强光辐射生态条件, 常发生光抑制现象。并且品种间对光
抑制的敏感性有很大差异[ 1～ 3 ]。而在水稻的生育中、后期常常伴随高温、干旱等逆境胁迫, 这
更加重了水稻光抑制程度。因此, 了解叶片老化过程中耐光抑制特性的变化是有必要的。本
研究在前人工作的基础上, 以水稻籼、粳亚种为材料, 目的在于探索籼、粳稻光抑制特性的
差异及其产生原因, 以及光抑制与水稻光合功能衰退之间的关系。旨在探索避免或减轻光抑
制的途径, 为通过高光效育种提高光能利用效率, 进而提高作物产量提供生理依据。
1　材料与方法
1. 1　材料
以盐粳 2 号 (粳稻)和 3037 (籼稻)为材料, 人工精选浸种发芽后直播于南京农业大学水稻
X 国家重点基础研究发展规划项目 (项目编号: G19982010100).
收稿日期: 1999202209, 接受日期: 1999210228

池内。田间水、肥按常规方法管理。
1. 2　研究方法
1. 2. 1　叶绿素含量相对稳定期及速降期的计算　　根据张荣铣等[ 4 ]的方法, 以叶片全展时
的叶绿素含量为初始叶绿素含量, 自叶片全展到叶绿素含量下降至初始叶绿素含量的 80% 时
所经历的天数定为叶绿素含量相对稳定期 (R ela t ive steady phase of leaf ch lo rophyll con ten t,
R SP)。此后至叶片死亡即为叶绿素含量速降期 (Sharp fa ll phase of leaf ch lo rophyll con ten t,
SFP)。两者间分界点为转折点。
1. 2. 2　光抑制处理　　在叶片一生的R SP、SFP、转折点时期用生物效应灯进行连续照光处
理。中间有隔水层, 调整灯至叶片的距离得到不同的处理光强。
1. 2. 3　叶黄素循环抑制剂处理　　参考郭连旺[ 5 ]方法。10 mm o lö L D T T 溶液加 1% (v ö v)吐
温- 80 涂沫于叶片上表面。对照叶片以蒸馏水加 1% 吐温- 80 涂沫。
1. 2. 4　净光合速率的测定　　采用密闭气路系统, 用北农大便携式BAU 光合测定系统测定
净光合速率。以处理开始时的净光合速率为基数计算光合速率 (% )。
1. 2. 5　叶绿体分离及电子传递速率的测定　　参照张其德等[ 6 ]及叶济宇[ 7 ]的方法。用薄膜
氧电极和自动记录仪记录放氧速率和耗氧速率。1200 LE·m - 2·s- 1, 温度 25℃, PS˚ 活性
以处理开始时的活性为基数以百分数计算。
1. 2. 6　SOD、CA T、A SP 及 R uBPO ase 活性的测定　　SOD 活性按 R eaucham p [ 8 ]方法测
定、CA T (过氧化氢酶) 活性的测定按张志良等[ 9 ]的方法, 用薄膜氧电极和自动记录仪测定。
A SP (抗坏血酸过氧化物酶) 活性按N akano. Y 和 K. A sada [ 10 ]方法测定, R uBPO ase 活性用
B ravdo 和 Pallas[ 11 ]的方法测定。
2　结果与分析
2. 1　强光照射对籼、粳稻剑叶光合速率的影响
水稻剑叶经不同光强处理结果如图 1 所示。由图可知盐粳 2 号和 3037 的剑叶在叶绿素
含量相对稳定期 (图 12A )和速降期 (图 12E) 经 800 LE·m - 2·s- 1光强处理 8 小时, 结果表明
盐粳 2 号和 3037 的光合速率都相对稳定, 无光抑制现象发生; 1000 LE·m - 2·s- 1光照处理
8 小时, 盐粳 2 号在相对稳定期 (图 12B )、速降期 (图 12F)都不发生光抑制, 而 3037 尽管在相
对稳定期基本无光抑制现象发生, 但在速降期处理 6 小时即发生明显光抑制, 处理 8 小时后
净光合速率降低了 33% (图 12F)。1600 LE·m - 2·s- 1光强处理 8 小时过程中可以看出: 盐粳
2 号在相对稳定期在处理后光合速率相对稳定 (图 12C) , 速降期处理时间小于 6 小时也无明
显光抑制现象, 随着照光时间的进一步延长才发生轻微光抑制 (图 12G)。而 3037 在相对稳定
期高光处理 6～ 8 小时即有轻微光抑制现象发生 (图 12C) , 速降期处理 4 小时以上即发生严重
光抑制, 净光合速率下降幅度达 30%～ 60%。用自然条件下的极端强光 (2000 LE·m - 2·
s
- 1)处理 8 小时, 盐粳 2 号在相对稳定期不发生光抑制 (图 12D ) , 只在速降期才发生较严重
的光抑制现象 (图 12H )。而 3037 即使是在相对稳定期, 极强光处理 2 小时以上净光合速率开
始下降。在速降期, 极强光处理一开始 3037 的就快速下降, 8 小时内可达 70% (图 12H )。
2. 2　籼、粳稻剑叶光系统光抑制的差异
选取盐粳 2 号、3037 全展时的剑叶提取叶绿体, 在 1200 LE·m - 2·s- 1光强下进行连续
照 光处理, 每隔两分钟测定它们PS˚ (光系统˚ ) 活性的变化, 以百分数表示, 其结果如图2
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图 1　　不同光强处理对水稻剑叶净光合速率的影响
F ig. 1　　Effect of differen t ligh t in tensity on rate of net pho to synthesis in flag leaf of rice
A , E 800 LE·m - 2·s- 2　B, F 1000 LE·m - 2·s- 2　C, G 1600 LE·m - 2·s- 2　D , H 2000 LE·m - 2·s- 2
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所示。从图 2 中可以看出盐粳 2 号 PS˚ 活性在强光下较稳定, 而 3037 随着照光时间的延长
PS˚ 活性下降较大。相同处理条件下 PS É (光系统 É ) 活性的变化见图 3。在高光强处理后,
无论是盐粳 2 号还是 3037 的 PS É 活性都未随处理时间的延长而有明显下降, 表明在单纯强
光处理条件下 PS É 活性对光抑制处理反应不敏感。
图 2　　强光 (1200 LE·m - 2·s- 2)
处理下 PS˚ 活性的变化
F ig. 2　　T he changes of PS˚ activity under strong
ligh t treatm ent (1200 LE·m - 2·s- 2)
图 3　　强光 (1200 LE·m - 2·s- 2)
处理下 PS É 活性的变化
F ig. 3　　T he changes of PS É activity under strong
ligh t treatm ent (1200 LE·m - 2·s- 2)
2. 3　籼、粳稻剑叶老化过程中活性氧清除系统的变化
2. 3. 1　光抑制过程中 SOD 活性的变化　　在叶绿素相对稳定期, 盐粳 2 号及 3037 的 SOD
活性在连续照光处理后均有大幅度的上升 (图 42A ) : 盐粳 2 号上升 38. 05% , 而 3037 上升
29% , 盐粳 2 号上升幅度比 3037 大。SOD 活性的诱导升高有利于清除在强光逆境条件下由
光碳失衡所产生的大量的对细胞器有毒害作用的活性氧, 从而使光合器官维持正常的生理功
能。在叶绿素含量下降转折点进行光抑制处理, 两品种水稻的 SOD 活性仍有少量上升, 表明
在转折点光抑制的防御机制中 SOD 仍占一定比重。到了速降期, 光抑制处理后 SOD 活性不
但没有上升反而有一定程度下降, 表明在速降期的光抑制防御中 SOD 的作用不大。
2. 3. 2　光抑制过程中CA T 活性的变化　　由图 42B 可以看出水稻剑叶全展后CA T 活性呈
下降趋势。在叶绿素含量相对稳定期CA T 活性最高, 经光抑制处理后, CA T 活性并未上升。
在叶绿素含量转折点及速降期光抑制处理后CA T 活性有所上升, 但其绝对值已很低, 由此
认为CA T 可能不是保护水稻光合器官免于光抑制伤害的关键酶。
2. 3. 3　光抑制过程中A SP 活性的变化　　A SP 是存在于叶绿体和胞浆中清除H 2O 2 的关键
酶。经光抑制处理结果如图 42C 所示, 在叶绿素相对稳定期, 水稻剑叶A SP 活性有大幅度上
升: 盐粳 2 号上升 60% , 3037 上升 35. 7%。在转折点时期进行光抑制处理, 盐粳 2 号及 3037
在处理后A SP 活性都急剧升高, 且幅度大于相对稳定期: 盐粳 2 号上升 213% , 3037 上升
138%。而在速降期两品种在处理后A SP 活性均有下降。表明在叶绿素相对稳定期及转折点
时期, 水稻的耐光抑制特性与A SP 活性有着极为密切的联系。
2. 3. 4　光抑制过程中 R uBPO ase 活性的变化　　盐粳 2 号及 3037 在光抑制处理后
R uBPO ase 活性变化如图 42D。在叶绿素相对稳定期处理后活性都有大幅度上升: 盐粳 2 号
上升了 235% , 3037 上升了 185%。这意味着在该时期内盐粳 2 号比 3037 更耐光抑制与盐粳
2 号在光抑制条件下光呼吸活性大幅度上升也有着紧密的联系, 但在叶绿素下降转折点强光
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处理后R uBPO ase 活性上升的幅度明显减小且在速降期还呈下降趋势, 表明这时光呼吸对水
稻叶片已无防御光抑制伤害的作用。
图 4　　叶片全展后不同时期强光处理 (1800 LE·m - 2·s- 2, 4 h)对活性氧清除系统的影响 (CK. 对照 T. 处理)
F ig. 4　　T he effect of strong ligh t (1800 LE·m - 2·s- 2, 4 h) on the active oxygen scanvenging
system of the flag leaf in differen t stage after fu ll expanding of rice
图 5　叶片全展后不同时期强光和D T T 处理
(1800 LE·m - 2·s- 2, 4 h)对水稻剑叶净光合速率的影响
(CK. 对照　T 1. 单纯强光处理　T 2. 强光+ D T T 处理)
F ig. 5　　T he effect of strong ligh t (1800 LE·m - 2·s- 2, 4 h)
and D T T on the pho to synthetic rate of the flag leaf in
differen t stage after fu ll expanding of rice
2. 4　光抑制过程中叶黄素循环
对光合作用的影响
D T T (二硫苏糖醇) 是叶黄
素循环的专一性抑制剂。用
D T T 溶液涂沫水稻叶片后进行
光抑制处理, 结果如图 5: 在叶
绿素相对稳定期, 经D T T 涂沫
后强光处理的叶片光抑制程度
明显比未涂沫的叶片严重。盐
粳 2 号在这两种处理方式下光
抑制程度相差 49% , 而 3037 则
相差 59%。这说明在叶绿素相
对稳定期叶黄素循环对缓解水
稻的光抑制起着重要作用。在
转折点时期, 叶黄素循环仍起着很大作用, 两种处理方式下, 盐粳 2 号光抑制程度相差 62% ,
而 3037 只相差 39% , 表明在转折点时期, 叶黄素循环在籼稻 3037 光抑制的防御机制中所占
据的比重有所下降。这个趋势在速降期表现得更加明显。
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3　讨论
近几年研究指出, 水稻的光抑制与光氧化在品种间有很大差别, 粳稻比籼稻更耐光抑
制[ 2, 12 ]。本研究从叶片发育过程中也看到: 水稻叶片全展后, 随着光合功能衰退, 对光抑制
的敏感性逐渐增加, 在强光逆境条件下, 盐粳 2 号剑叶在叶绿素含量相对稳定期不发生光抑
制, 在速降期也只发生轻微光抑制, 严重光抑制只发生在极端强光长时间处理条件下。而
3037 在叶绿素含量相对稳定期即可发生轻微光抑制, 并随照光时间的延长而加重, 在速降期
极端强光下, 则光合速率从处理开始即急剧下降。
以往的研究表明, 叶黄素循环[ 13～ 14 ]、光呼吸[ 15 ]、活性氧清除机制[ 16 ]是植物的主要光抑
制防御机制。尤其是依赖于叶黄素循环的热耗散是保护光合机构在自然条件下免受强光破坏
的主要途径[ 17～ 18 ]。我们的实验表明, 粳稻品种比籼稻品种耐光抑制主要是由于叶黄素循环在
粳稻叶片一生的光抑制防御体系中都起重要作用; 而籼稻尽管在叶绿素含量相对稳定期叶黄
素循环占主导地位, 但随着叶片光合功能的衰退, 通过叶黄素循环的非辐射能量耗散大为减
少, 从而使速降期的籼稻叶片对光抑制的敏感性高于粳稻。此外, 在强光条件下, 粳稻品种
R uBPO ase 活性大大超过籼稻品种, SOD、A SP 活性上升幅度大、持续时间长, 有利于及时
清除光抑制产生的大量活性氧。在强光下粳稻电子传递活性比籼稻品种稳定, 保证了粳稻能
快速吸收光能并转化为化学能, 避免过多的光能聚集于反应中心, 从而减轻光抑制的伤害。
光抑制导致水稻叶片光合速率下降, CO 2 日同化量及叶源量减少, 最终导致减产。而在
水稻的生育中、后期的高温、干旱等逆境也会加重光抑制程度[ 19 ]。因而进一步研究高温与强
光的协同作用对水稻的影响是有必要的。同时我们可以通过育种途径, 选育耐光抑制特性的
水稻品种, 增加水稻光能利用率, 以确保水稻的高产和稳产。
参　考　文　献
1　屠曾平, 林秀珍, 黄秋妹等. 中国水稻科学, 1988, 2 (1) : 8～ 16
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17　郭连旺, 许大全, 沈允钢. 植物学报, 1996, 38 (3) : 196～ 202
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